基于单片机设计逆变稳压电源.doc

摘要电源是电力电子技术的主要应用领域之一，随着新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新的控制技术的出现与应用，逆变电源技术得到越来越广泛的应用。本系统是由单片机构成的逆变稳压电源，叙述了数模信号相互转换、传感器、硬件原理、电路原理图、辅助电路图、软件流程图以及整体的框架图。各个电路的原理及其编程作用等。主要是了解并掌握电力电子器件IGBT的原理和使用，并用电源的逆变技术设计出一台基于单片机控制的新型高效率正弦波逆变电路关键词：逆变稳压电源单片机SWAPAbsrtactPower is power electronics one of the major application areas, along with new electronic components, new magnetic materials, new conversion technologies, the emergence of new control technologies and application of inverter technology is more widely used. This system is constituted by a single chip inverter power supply, describes the digital-analog signal conversion, sensors, hardware principle, circuit diagram, auxiliary circuit, the software flow chart and the overall framework of the map. Primarily to understand and master the principle of power electronic devices and the use of IGBT and inverter technology with the power to design a New Microcontroller-based sine wave inverter efficiency Keywords: inverter power supply microcontroller SWAP 目录摘要IAbsrtactII第1章 绪论21.1电源技术的发展概况21.2本课题完成的主要任务3第2章 基本原理52.1 IGBT管的基本原理与特性52.1.1 IGBT的工作原理52.1.2 IGBT的特性与参数特点52.1.3 IGBT的保护62.2逆变技术及其原理72.2.1现代逆变技术的分类72.3 SPWM控制技术9第3章系统硬件设计103.1系统总体介绍103.2系统主电路设计123.2.1输入EMI滤波器的设计123.2.2输入整流滤波电路的设计143.2.3逆变器和输出滤波电路的设计153.3采样电路及A/D转换电路183.4 SPWM波产生芯片SA4828及其应用203.4.1 SA4828工作原理203.4.2 SA4828与单片机的连接223.5 IGBT驱动电路EXB841273.5.1 IGBT驱动电路的要求273.5.2使用EXB841应该注意的一些事项303.6系统保护电路设计313.7辅助电源电路的设计34第四章系统软件的设计354.1 PI控制原理354.1.1过程控制的基本概念354.1.2模拟PI调节器364.2数字PI参数的选择364.2.1采样周期的选择364.3系统控制程序设计374.4软件抗干扰技术39结论41致谢42参考文献43附录45第1章 绪论1.1电源技术的发展概况电力电子技术就是利用半导体功率开关器件、电力电子技术和控制技术，对电气设备的电功率进行变换和控制的一门技术。上个世纪80年代以来，由于半导体器件，电子技术等的不断推陈出新，电力电子技术有了突飞猛进的发展，其对工业发展所产生的巨大作用，被各国的专家学者称为人类社会继计算机之后的第二次的电子革命，它在世界各国工业文明的发展中所起的关键作用可能仅次于计算机【1】。电源是电力电子技术的主要应用领域之一，随着新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新的控制技术的出现与应用，逆变电源技术得到越来越广泛的应用。电源技术的发展，大体经历了几个阶段：由磁放大式到硅二极管整流式，再到可控硅（晶闸管）整流式，直到发展到逆变式(开关式)。采用逆变技术，可使所设计的电源具有许多方面的优越性：1.可灵活地调节输出电压或电流的幅度和频率通过控制回路，我们可以控制逆变电路的工作频率和输出时间的比例，从而使输出电压或电流的频率和幅值按照人们的意愿或设备工作的要求来灵活地变化。2.可将蓄电池中的直流电转换成交流电或其他形式的直流电，这样就不会因为交流电网停电或剧烈变化而影响工作。3.可明显地减小用电设备的体积和重量，节省材料在很多用电设备中，变压器和电抗器在很大程度上决定了其体积和重量，如果我们将变压器绕组中所加电压的频率大幅度提高，则变压器绕组匝数与有效面积之积就会明显减小，变压器的体积和重量明显地减小了【2】。4采用逆变技术的电源还具有高效节能的优越性，表现在如下几个方面：1)在许多应用交流电动机的场合，在其负载变化时，传统的方法是调节电动机的通电时间所占比例，这样电动机就会频繁地制动、起动。而电动机的起动、制动消耗的能量往往很大，如使用变频电源来调节电动机做功的量，则可节约很大一部分能量。2)采用逆变技术的电源，其变压器的体积和重量大大减小了，也即减小了铁心横面积和线圈匝数。变压器本身的损耗主要包括原、副边铜耗和铁芯损耗，铁芯横面积和线圈匝数的大幅度减小也就大大降低了铜耗和铁耗。因此，采用逆变技术大大提高变压器的工作频率，使得变压器的损耗变得比工频工作时小得多，从而达到节能的目的。3)传统的、采用工频变压器的整流式电源设备的功率因数一般在0.5-0.8之间，这是因为其电流谐波成分和相移角都比较大。在逆变电源中，如果用功率因数校正技术，能使输入电流的谐波成分变得很小，从而使功率因数约为1，节能的效果非常明显。5.动态响应快、控制性能好、电气性能指标好由于逆变电路的工作频率高，调节周期短，使得电源设备的动态响应或者说动态特性好，表现为：对电网波动的适应能力强、负载效应好、启动冲击电流小、超调量小、恢复时间快、，输出稳定、纹波小。6.电源故障保护快由于逆变器工作频率高、控制速度快，对保护信号反应快，从而增加了系统的可靠性。另外，现代越来越复杂的电子设备对电源提出了各种各样的负载要求，一个特定用途的电源，应当具有特定的负载性能要求和外特性，同时还应当具备安全可靠、高效、高功率因数、低噪音的特点，另外，无电磁干扰、无电网污染、省电节能也是我们应当认真考虑的设计要求。电源技术发展到今天，已融汇了电子、功率集成、自动控制、材料、传感、计算机、电磁兼容、热工等诸多技术领域的精华，已从多学科交叉的边缘学科成长为独树一帜的功率电子学【3】。1.2本课题完成的主要任务本课题的主要任务是了解并掌握电力电子器件IGBT的原理和使用，并用电源的逆变技术设计出一台基于单片机控制的新型高效率正弦波逆变电路，本课题所设计逆变电源的参数要求：(1)输入电压：市电三相电源380VAC10；(2)输出电压：输出为单相220VAC(有效值)、频率为50Hz的稳压电源；(3)输出功率：3KW，允许过载10；(4)稳压精度：小于2。第2章 基本原理2.1 IGBT管的基本原理与特性绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor）简称IGBT，因为它的等效结构具有晶体管模式，所以称为绝缘栅双极型晶体管。2.1.1 IGBT的工作原理1.IGBT的工作原理N沟道IGBT通过在栅极发射极间加阈值电压以上的（正）电压，在栅极电极正下方的P层上形成反型层（沟道），开始从发射极电极下的层注入电子。2.1.2 IGBT的特性与参数特点1.IGBT的伏安特性和转移特性IGBT的伏安特性如图2-2(a)所示，它反映在一定的栅极发射极电压与的关系。越高，越大。值得注意的是，IGBT的反向电压承受能力很差，从曲线中可知，其反向阻断电压只有几十伏，因此限制了它在需要承受高反压场所的使用。图2-2(b)是IGBT的转移特性曲线。当(开启电压，一般为36伏)图2-2 IGBT的伏安特性和转移特性时，IGBT开通，其输出电流与驱动电压基本呈线性关系。当时，IGBT关断。2.IGBT的参数特点(1)IGBT的开关特性好，开关速度快，其开关时间是同容量GTR的1/10。IGBT的开通过程是从正向阻断状态转换到正向导通的过程。IGBT的关断过程是从正向导通状态转换到正向阻断状态的过程。 (2)IGBT的输入阻抗高，可达1091011欧姆数量级，呈纯电容性，驱动功率小，这些与VDMOS相似。(3)与VDMOS和GTR相比，IGBT的耐压可以做得更高，最大允许电压UCEM可达到4500伏以上。(4)IGBT的最高允许结温为。VDMOS的通态压降随结温升高而显著增加，而IGBT的通态压降在室温和最高结温之间变化很小，具有良好的温度特性。2.1.3 IGBT的保护IGBT与电力MOSFET管一样具有极高的输入阻抗，容易造成静电击穿，故在存放和测试时应采取防静电措施。IGBT作为一种大功率电力电子器件常用于大电流、高电压的场合，对其采取保护措施，以防器件损坏显得非常重要。(1)过电流保护IGBT应用于电力系统中，对于正常过载（如电机起动、滤波电容的合闸冲击以及负载的突变等）系统能自动调节和控制，不至于损坏IGBT。对于非正常的短路故障要实行过流保护。通常的做法是：切断栅极驱动信号。只要检测出过流信号，就在2us内迅速撤除栅极信号。当检测到过流故障信号时，立即将栅压降到某一电平，同时启动定时器，在定时器到达设定值之前，若故障消失，则栅压又恢复到正常工作值；若定时器到达设定值时故障仍未消除，则把栅压降低到零。这种保护方案要求保护电路在1-2us内响应。(2)过电压保护利用缓冲电路能对IGBT实行过电压抑制并抑制过量的电压变化率。但由于IGBT的安全工作区宽，因此，改变栅极电阻的大小，可减弱IGBT对缓冲电路的要求。然而，由于IGBT控制峰值电流能力比VDMOS强，因此在有些应用中可不用缓冲电路。(3)过热保护利用温度传感器检测IGBT的壳温，当超过允许温度时主电路跳闸以实现过热保护。2.2逆变技术及其原理通常，把交流电变成直流电的过程叫做整流；完成整流功能的电路叫做整流电路。与之相对应，把直流电变成交流电的过程叫做逆变，完成逆变功能的电路则称为逆变电路，而实现逆变过程的装置叫做逆变设备或逆变器。现代逆变技术就是研究现代逆变电路的理论和应用设计方法的一门科学。这们学科是建立在工业电子技术、半导体器件技术、现代控制技术、现代电力电子技术、半导体变流技术、脉宽调制（PWM）技术、磁性材料等学科基础之上的一门实用技术【29】。2.2.1现代逆变技术的分类现代逆变技术种类很多，其主要的分类方式如下：1.按逆变器输出交流的频率，可分为工频逆变（5060Hz）、中频逆变(400Hz到十几KHz)、高频逆变(十几KHz到MHz)。2.按逆变器输出的相数，可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变。3.按输出能量的去向，可分为有源逆变和无源逆变。4.按逆变主电路的形式，可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变。5.按逆变主开关器件的类型，可分为晶闸管逆变、晶体管逆变、场效应管逆变、IGBT逆变等等。6.按输出稳定的参量，可分为电压型逆变和电流型逆变。7.按输出电压或电流的波形，可分为正弦波输出逆变和非正弦波输出逆变。8.按控制方式，可分为调频式（PFM）逆变和调脉宽式（PWM）逆变.9.按逆变开关电路的工作方式，可分为谐振式逆变、定频硬开关式逆变和定频软开关式逆变【7】。2.3 SPWM控制技术如图2-8(a)我们将一个正弦波半波电压分成N等分，并把正弦曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，且矩形脉冲的中点与相应正弦等份的中点重合，得到如图2-8(b)所示得脉冲列，这就是SPWM波形。正弦波得另外半波可以用相同得办法来等效。可以看出，该PWM波形的脉冲宽度是按正弦规律变化，称为SPWM波形。图2-8第3章系统硬件设计3.1系统总体介绍本次设计的目的是研制一种输入为市电三相380V，输出为220V，50Hz的交流稳定电压，输出功率为3KW的单相稳压电源。考虑到所设计的系统为大功率电源，所以我们在这考虑使用SPWM逆变技术，图3-1为所设计的系统框图。三相电源EMI整流滤波全桥逆变输出滤波辅助电源驱动隔离输出采样SPWM发生器CPU报警负载图3-1系统框图该系统的工作原理是三相电源380V经整流滤波变成直流电压，然后经SPWM全桥逆变，变成220V的SPWM电压，再经输出滤波电路滤波为220V、50Hz正弦波交流电压输出，另外，系统中CPU根据输出采样电压值来控制SPWM波发生器输出的SPWM波形参数，SPWM发生器产生的SPWM波经四个驱动隔离电路去驱动逆变电路，从而把整流滤波后得到的直流电逆变成稳定交流电。该系统CPU采用AT89C51，SPWM波发生器采用SA4828三相SPWM波发生器，这里我们只使用其一相输出波形，驱动隔离电路采用富士公司生产的EXB841，主电路采用高压整流模块和IGBT模块，输出采样模块使用ADC0809。由于本系统的控制核心器件是AT89C51，所以我们在此对该器件作一下介绍：AT89C51是美国ATMEL公司生产的，该单片机采用高密度，非易失存储技术，将闪烁存储器（即flash memory或PEROM）和MCS-51系列单片机相结合。该单片机不但和MCS-51系列单片机完全兼容，更以其便利的电擦写功能和低廉的价格而拥有很高的性能价格比。适用于各种需要较高灵活性的嵌入式控制应用领域。AT89C51单片机芯片有40个引脚，是用CMOS工艺制造的芯片，采用双列直插封装（DIP）和方形封装方式。图3-2为它的引脚图，说明如下：1.主电源引脚Vcc和VssVcc：接5V电压。Vss:接地。2.外接晶振引脚XTAL1：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把信号直接接到内部时钟发生器的输入端。XTAL2：片内反相放大器输出端。外接晶振时，XTAL2和XTAL1各接晶振的一端，借外接晶振与片内反相放大器构成振荡器。3输入/输出引脚P0.0-P0.7：双向三态I/O口。在访问外部存储器时，分别输出低8位地址线和8位数据线。在对内部EPROM编程时，用于数据的输入和输出。P1.0-P1.7：8位双向I/O口。对EPROM编程时，用于接受低8位地址。P2.0-P2.7：8位双向I/O口。在访问外部存储器时，输出高8位地址。在对内部EPROM编程时，用于接受高8位地址。图3-2 AT89C51 引脚图P3.0-P3.7：8位双向I/O口。每个引脚都有各自图3-2 AT89C51引脚的第二功能：P3.0为RXD（串行输入口）；P3.1为TXD（串行输出口）；P3.2为INT0（外部中断请求输入端0）；P3.3为INT1（外部中断请求输入端1）；P3.4为T0（定时器/计数器0计数脉冲输入端）；P3.5为T1（定时器/计数器1计数脉冲输入端）；P3.6、P3.7为、RD（片外数据存储器写/读选通信号输出端）。4控制引脚ALE/PROG：地址锁存有效信号输出端。PSEN：片外程序存储器读取选通信号输出端。RST/Vpd：复位端。当Vcc掉电期间，Vpd如接备用电源V可用于保存片内RAM中的数据。EA/Vpp：片外程序存储器选用端【21】。3.2系统主电路设计下面我们分别来介绍主电路的各个部分：3.2.1输入EMI滤波器的设计1、高频电源中的噪声问题电源中，噪声是指直流基础电源输出电压中的脉动成分以及其他的交流分量。有些噪声来自设备外部，如大负荷用电设备起动造成电网电压瞬时跌落、工频波形失真等。有些噪声来自设备自身，如在功率转换电路中开关管从导通到截止或从截止到导通的瞬态过程中，高速脉冲波形的电流、电压，尤其是脉冲上升、下降沿，其中包含丰富的高次谐波分量易产生噪声，另外，在开关管高速工作时，非线性元件、传输导线分布电感、电容容易发生寄生振荡，加上器件本身高频特性的差异均有可能产生噪声。电源中的噪声，按传导与辐射两种方式传播，按对负载的影响，可分为共模噪声、差模噪声和辐射噪声。这里共模噪声是指主回路与机壳间传导的噪声；差模噪声是指回路中的常态噪声；辐射噪声既包括外界通过空间向电源辐射的噪声，又包括电源对外辐射的噪声。2、EMI滤波器在本系统中，为了抑制交流电网和电源之间的相互干扰，在交流电网和电源输入端之间加上EMI（电磁干扰）滤波器，一方面，加上EMI滤波器后，可以消除来自电网的各种干扰对系统的影响，如电动机的启动，电器开关的合闸和关断，雷击等产生的尖峰干扰；另一方面，该滤波器也可以防止系统产生的高频噪声向电网扩散而污染电网。EMI滤波器主要由工频低通滤波器和共模抑制元件组成，在本系统设计中我们选用北京克普锐特电子技术有限公司生产的KT-3H4-20型三相三线滤波器。3.2.2输入整流滤波电路的设计本课题设计的电源在额定状态下的技术要求为：输出电压220VAC，率3000W，属于大功率电源，为了保持三相交流电源的对称性和减小电源滤波电容等原因，大功率电源一般采用三相电源作为供电电源。因此，本采用三相桥式整流，滤波电感和滤波电容组成输入整流滤波电路。一、三相桥式整流电路的设计1、整流桥的耐压：整流二极管的峰值反向电压为: （3-1）取50的裕量 （3-2）2、整流桥的额定电流电源的输出功率为3KW，是确定值，所以电源的输入功率就随着电源的效率变化而变化，计算时取电源效率最差时的值，设此时电源的输入功率 （3-3）最大输入线电流 （3-4）根据以上计算我们选用取富士公司生产的2RI60G-120（60A/1200V/2单元串联）型号整流模块三个连接而成桥式整流回路。二、输入滤波电容的设计输入滤波电容的值决定于输出保持时间和直流输入电压的纹波电压的大小，且要在计算流入电容器的纹波电流是否完全达到电容器的容许值的基础上进设计。三相电源经过整流后，输出直流电压，此时通过直流回路的平均电流最大值为 （3-5）为三相电源电压最低时整流输出的直流电压的平均值 （3-6）计算单相全波整流电路滤波电容的经验公式是因为三相全波整流电路的基波频率为单相整流电路的3倍，所以计算三相整电路的滤波电容公式为： （3-7）所以三、输入滤波电感的设计我们可以根据保持负载电流连续的要求来选择滤波电感L设最小负载功率则 （3-8）所以 取4mH。3.2.3逆变器和输出滤波电路的设计一、IGBT的选择1、耐压当输入电网电压为最高输入电压时，经整流滤波后输出的最高直流电压为 （3-9）考虑各种因素的影响取50的裕量，则IGBT的最低耐压为 （3-10）2、IGBT的电流在一些参数未知的情况下，我们需要估算IGBT的电流，以便选择IGBT管。输入电网电压经输入整流滤波后，直流母线上的最大直流电流为 （3-11）其中 （3-12）所以可选择IGBT的额定电流为25A。综上所述，在本系统设计中，我们可选择日本富士公司生产的2MBI25L-120（2单元25A/1200V）型IGBT管，该管耐压1200V，电流容许值为25A。二、输出LC滤波电路经全桥逆变器输出的电压中，逆变开关频率一般都比较高，从几KHz到几MHz的都有。对几KHz至十几KHz的脉冲电压进行滤波时，一般对纹波电压要求不是太高，所以可以忽略滤波电解电容等效串联电阻(ESR)，并且频率不高时，其等效串联阻抗ESZ也不大，影响也不严重。但是，随着频率的升高，电解电容引线电感L造成的等效串联阻抗ESZ就会上升，明显地增加输入电压的纹波。所以计算LC参数，要分别情况根据工作频率范围设计。允许电抗器的电流波动峰峰值逆变器输出脉冲电压峰值由于逆变器输出的是SPWM电压，所以在设计滤波LC参数时，我们可以考虑如下情况：当滤波输出的平均电压V0=311V，此时、，所以由式，得，所以L取15mH。设电容上电压纹波为3V，由式，得，取10uF。所以L为工频电感，电感量可选为15mH，为减小噪声，选闭合铁芯，如OD型硅钢铁芯（400Hz）或铁粉芯铁芯。C为工频电容，可以选CBB61-10uF-250VAC。3.3采样电路及A/D转换电路因系统输入市电电压是波动的，而输出要求是稳定的220V电压，所以需经采样电路采样输出电压，得到的模拟量再经过A/D转换电路转换为数字量，然后送往单片机，单片机通过一定的算法使输出电压稳定在220V。1.采样电路本系统的采样电路如图3-8所示，输出电压经变压器变压后再经整流堆整流，输出的是脉动的电压，此电压再经电阻R3和电容C1组成的滤波器滤波后，成为稳定的直流电压 ，经可变电阻R4调节后送往A/D转换电路。我们可以调节电路，使得当系统输出电压有效值是220VAC时，电路输出电压是2.5VDC，该电路可在系统输出电压的一定变化范围内具有线性关系。图3-8 采样电路图2.A/D转换电路采样电路得到的模拟信号必须经A/D转换器转换为数字量后才能送往单片机进行处理。本系统中，我们采用ADC0809，它是CMOS工艺、采用逐次逼近法的8位A/D转换芯片，28脚双列直插式封装，片内除A/D转换部分外还有多路模拟开关部分。ADC0809最多允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，图3-9是它与单片机AT89C51的接口电路。ADC0809由8路模拟开关、8位A/D转换器、三态输出锁存器以及地址锁存译码器等组成。其引脚功能说明如下：图3-9 ADC0809接口电路IN0IN7为8个输入通道的模拟输入端。D0D7为8位数字量输出端。START为启动信号，加上正脉冲后，A/D转换开始进行。ALE为地址锁存信号，高电平时把三个地址信号送入地址锁存器，并经译码器得到地址输出，以选择相应的模拟输入通道。EOC为转换结束信号，是芯片的输出信号。转换开始后，EOC信号变低；转换结束时，EOC返回高电平。这个信号可以作为A/D转换器的状态信号来查询，也可以直接用做中断请求信号。CLK为时钟信号，最高允许值为640KHz。VREF(+)和VREF(-)为A/D转换器的参考电压。图3-9为ADC0809与AT89C51的接口，在此，我们采用查询方式。这里将ADC0809作为一个外部扩展并行I/O口，由于只采样一个通道值，所以在此我们采用固定寻址法，只寻址IN0通道，另外，由P2.7和联合控制启动转换信号端START。启动ADC0809的工作过程是：先由ALE信号锁存通道地址000，后由START有效启动A/D转换，即执行一条MOVXDPTR,A指令产生WR信号，使ALE、START有效，锁存通道号并启动A/D转换。A/D转换完毕，EOC端发出一正脉冲供单片机查询，最后执行MOVX A,DPTR产生信号，打开输出锁存器三态门，8位数据就读入到CPU中。ADC0809的时钟取自AT89C51的ALE经二分频双D触发器之一后的信号（接CLK端）。当A/D转换完毕，AT89C51读取转换后的数字量时，需使用MOVX A,DPTR指令，在如图3-9所示的接口电路中，ADC0809与片外RAM统一编址，在使用MOVX指令时一个周期内丢失一个ALE脉冲，但这不影响A/D转换的时间。3.4 SPWM波产生芯片SA4828及其应用3.4.1 SA4828工作原理SA4828是MITEL公司推出的一种专用于三相SPWM信号发生和控制的集成芯片。它既可以单独使用，也可以与大多数型号的单片机接口。该芯片的主要特点为：全数字控制；兼容Intel系列和Motorala系列单片机；输出调制波频率范围04KHz；16位调速分辨率；载波频率最高可达24KHz；内部ROM固化3种可选波形；可选最小脉宽和延迟时间（死区）；可单独调整各相输出以适应不平衡负载；看门狗定时器。 图3-10 SA4828引脚1.SA4828引脚功能SA4828采用28脚的DIP和SOIC封装，其引脚如图3-10所示，各引脚功能如下：输入类引脚说明AD0AD7:地址或数据输入通道。SET TRIP:通过该引脚，可以快速关断全部SPWM信号输出，高电平有效。：硬件复位引脚，低电平有效，复位后，寄存器的、WTE和RST各位为0。CLK：时钟输入端，SA4828既可以单独外接时钟，也可以与单片机共用时钟。MUX：用于总线选择，当MUX高电平时，使用地址与数据共用的总线，这时，地址/数据引脚RS不用，当MUX低电平时，使用地址/数据分开的总线，这时，地址锁存引脚ALE接低电平，RS引脚要与一条地址线相连，来区分输入的字节是地址（低电平），还是数据（高电平），通常先地址后数据。：片选引脚、 、ALE：用于“ ”模式，分别接收写、读、地址锁存指令。、AS、DS：用于 模式，分别接收读/写、地址、数据指令。输出类引脚说明RPHB、YPHB、BPHB：这些引脚通过驱动电路控制逆变桥的R、Y、B相的下臂开关管。RPHT、YPHT、BPHT：这些引脚通过驱动电路控制逆变桥的R、Y、B相的上臂开关管。它们都是标准TTL输出，每一个输出都有12mA的驱动能力，本例中，由于RPHB和RPHT各要驱动两块驱动电路EXB841，所以采用如图3-19所示的接法。：该引脚输出一个封锁状态，当SETTRIP有效时，为低电平，表示已被封锁，它有12mA的驱动能力，可直接驱动一个LED指示灯。ZPPR：该引脚输出调制波频率。WSS：该引脚输出采样波形。3.4.2 SA4828与单片机的连接图3-13 SA4828与单片机AT89C51的接线图SA4828与单片机接口的原理图如图3-13所示，本系统中，我们选用的是ATMEL公司的AT89C51单片机。AT89C51属于地址与数据总线复用类的单片机，因此，SA4828芯片的MUX引脚接高电平或者悬空不接。通过AT89C51的P0口与SA4828的AD口相连，提供8位数据和低8位地址，SA4828芯片中的地址锁存器可以锁存来自AT89C51的低8位地址，从而将AD口输入的地址与数据分开21。SA4828的地址锁存器由AT89C51的ALE信号控制。同时，连接的控制信号还有读、写信号 和。SA4828的片选信号接地，这样SA4828的8个寄存器的地址为：寄存器R0R5的地址：0000H0005H虚拟寄存器R14、R15的地址：000EH、000FHSA4828的SETTRIP引脚接反相器的输出脚，使单片机能够在异常情况下封锁SA4828的输出，SA4828的 引脚接一只发光二极管，当SA4828的输出被封锁时，发光二极管亮，用来封锁状态。由于本系统采用了单相电压型逆变电路，所以SA4828的输出引脚我们只用RPHT和RPHB，它们分别通过四个EXB841驱动电路，RPHT驱动逆变桥的1、4号IGBT，而RPHB驱动2、3号IGBT。3.4.3 SA4828的编程1初始化编程初始化是用来设定与电机和逆变器有关的基本参数，它包括载波频率设定、调制波频率范围设定、脉冲延迟时间设定、最小删除脉宽设定、调制波形设定、看门狗时间常数设定。在初始化编程时，R0-R5各寄存器内容见表3-14。下面分别介绍这些内容的设定:表3-14 初始化编程时R0-R5各寄存器内容(1)载波频率设定载波频率（即三角波频率）越高越好，但频率越高损耗会越大，另外，还受开关管最高频率限制，因此要合理设定，设定字由CFS0-CFS2这三位组成，载波频率fCARR通过下式求出:式中，fclk为时钟频率，n值的二进制数即为载波频率设定字。本系统中，fclk为6MHz，载波频率fcarr取5.85KHz，可求得n=0，所以CFS为000(2)调制波频率范围设定调制波频率范围设定字是由FRS0-FRS2这三位组成，调制波频率frange通过下式求得：m值的二进制数即为调制波频率范围设定字。本系统中，调制波频率范围frange=122Hz，可求得m3，所以FRS为011(3)脉冲延迟时间设定该设定字是由PDY0-PDY5这6位组成。脉冲延迟时间tpdy通过下式求得：PDY的二进制数即是脉冲延迟时间设定字。本系统中，tpdy=6us，fcarr=5.85KHz，所以PDY等于46，于是R2为2EH。(4)最小删除脉宽设定最小删除脉宽设定字是由PDT0-PDT6这7位组成，最小删除脉宽tpdt由下式求得，PDT的二进制即是最小删除脉宽设定字。考虑到延迟（死区）的因素，在延迟时，通常的做法是在保持原频率不变的基础上，使开关管延迟导通，实际输出的脉宽=延迟前的脉宽延迟时间，由结构图3-11可知，SA4828的工作顺序是先删除最窄脉冲，然后再延迟，所以上式给出的tpdt应是延迟前的最小删除脉宽，它等于实际输出的最小脉宽加上延迟时间，即tpdt=实际输出的最小脉宽tpdy。本系统中，实际输出最小脉宽为2us，则tpdt=6us+2us=8us，计算得PDT10367H，所以R1为67H。(5)调制波形的选择波形选择字由WS0、WS1这2位组成，WS1、WS0为0、0时，输出的是纯正弦波，WS1、WS0为0、1时，输出的是增强型波，WS1、WS0为1、0时，输出的是高效型波。纯正弦波可用于静态逆变电源，UPS电源和单相交流电机调速，增强型和高效型可用于三相交流调速，本系统中，WS1、WS0为0、0，即输出为纯正弦波。(6)幅值控制AC是幅值控制位，当AC=0时，控制寄存器中的R相的幅值就是其他两相的幅值；当AC=1时，控制寄存器中的R、Y、B相分别可以调整各自的幅值，以适应不平衡负载。本系统中我们只使用一相控制信号，所以AC0，即R3为00H。(7)看门狗时间常数设定时间常数由WD0-WD15这16位组成，根据下式计算出值，它的二进制即为时间常数。当每次向控制寄存器写数据时，自动用这个常数重置看门狗，即叫醒一次，如果单片机失去控制，在指定时间内没有叫醒看门狗，则看门狗会立即封锁输出。本系统中，不用该功能，所以我们可设定R4、R5值为0。综上所述，各初始化寄存器的编程值为：R060H，R167H，R22EH，R300H，R4R500H。初始化寄存器通常在程序初始化时定义，在电源工作期间不应该改变它们，如果一定要修改，可先复位SA4828或用控制寄存器中的INH位来关断SPWM输出，然后再进行修改。2.控制寄存器编程控制寄存器的作用包括调制波频率选择、调制波幅值选择、正反转选择、输出禁止位控制、计数器复位控制、看门狗选择、软复位控制、控制数据仍然是通过R0R5寄存器输入并暂存，当向R15虚拟寄存器写操作时，这些数据送入控制寄存器。R0R5各寄存器内容如表3-15所示。表3-15 控制寄存器编程时R0-R5各寄存器内容 (1)调制波频率选择调制波频率选择字由PFS0PFS15这16位组成，通过下式求得PFS值，它的二进制数即是调制波频率选择字，本系统中，fpower=50Hz，frange=122Hz，所以计算得PFS2685968EBH，于是R0为0EBH，R1为68H。(2)调制波幅值选择通过改变调制波幅值来改变输出电压有效值，达到改变输出电压的目的。调制波幅值是借助于8位幅值选择字（RAMP、YAMP、BAMP）来实现的，每一相都可以通过计算下式求出A值，它的二进制数即为幅值选择字（即RAMP或YAMP或BAMP）。式中的就是调压比。(3)看门狗选择看门狗选择位WTE，当WTE1时，使用看门狗功能。本系统中我们置该位为0，即不使用看门狗功能。(4)软复位控制RST是软复位位，它与硬复位/RST有相同的功能，高电平有效。本系统中我们置该位为0，即不使用软复位功能。综上所述，各控制寄存器编程值为：R00EBH，R168H，R206H，RR500H，R3则根据系统控制程序来设定。附录一是该片的编程例子程序。3.5 IGBT驱动电路EXB8413.5.1 IGBT驱动电路的要求驱动电路的要求与IGBT的特性密切相关，设计门极驱动电路时，应特别注意开通特性、负载短路能力和dUce/dt引起的误触发等问题。正偏置电压增加，通态电压下降，开通能耗Eon也下降，分别如图3-16所示。由图中还可看出，若固定不变时，导通电压将随集电极电流增大而增高，开通损耗将随结温而升高。图3-16 正偏电压+UGE(on)与UCE和Eon的关系负偏电压直接影响IGBT的可靠运行，负偏电压增高时漏极浪涌电流明显下降，对关断能耗无显著影响，与集电极浪涌电流和关断能耗的关系分别如图3-17所示。门极电阻增加，将使IGBT的开通与关断时间增加；因而使开通与关断能耗均增加。而门极电阻减小，则又使增大，可能引发IGBT误导通，同时图3-17 UGE与集电极浪涌电流和关断能耗Eoff的关系图3-18 门极电阻RG与Eon、Eoff以及di/dt的关系RG上的损耗也有所增加。具体关系如图3-16所示。由上述不难得知：IGBT的特性随门极驱动条件的变化而变化，就像GTR的开关特性和安全工作区随基极驱动变化而变化一样，但是IGBT所有特性不能同时最佳化。对驱动电路的要求可归纳如下：IGBT是电压驱动，具有一个2.55.0V的阈值电压，有一个容性输入阻抗，因此IGBT对栅极电荷集聚较敏感，故驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量短。用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压有足够的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外，IGBT开通后，栅极驱动源应能提供足够的门极电压，使IGBT不致退出饱和而损坏。驱动电路要能传递几十KHz的脉冲信号。驱动电平也必须综合考虑。增大时，IGBT通态压降和开通损耗均下降，但负载短路时的Ic增大，IGBT能承受短路电流的时间减少，对其安全不利，因此在有短路过程的设备中应选得小些，一般选12-15V。在关断过程中，为了尽快抽取PNP管中的储存电荷，需施加一负偏压，但它受IGBT的G、E间最大反向耐压限制，一般取-2-10V。在大电感负载下，IGBT的开关时间不能太短，以限制di/dt所形成的尖峰电压，确保IGBT的安全。驱动电路与控制电路要严格隔离。IGBT的栅极驱动电路应尽可能简单实用，最好自身带有对IGBT的保护功能，并有较强的抗干扰能力。IGBT属压控器件，当集射间有高电压时，很容易受外界干扰，使栅射电压超过，引起器件误导通，尤其是在有上下桥臂的变换器或逆变器中，易造成同臂短路。为了阻止这类现象的发生，在栅射间必须并接一只10K的电阻。开机的顺序应当是先让IGBT驱动电路工作，产生稳定的驱动波形，再让主电路工作。图3-19 EXB841接线图3.5.2使用EXB841应该注意的一些事项(1)输入与输出电路应分开，即输入电路（光耦合器）接线远离输出电路，以保证有适当的绝缘强度和高的噪音阻抗。(2)使用时不应超过使用手册中给出的额定参数值，如果按照推荐的运行条件工作，IGBT工作情况最佳。如果使用过高的驱动电压会损坏IGBT，而不足的驱动电压又会增加IGBT的通态压降。过大的输入电流会增加驱动电路的信号延迟，而不足的输入电流会增加IGBT和二极管的开关噪声。(3)IGBT的栅、射极回路的接线长度一定要小于1m，且应使用双绞线。(4)电路中的电容器C18和C19用来平抑因电源接线阻抗引起的供电电压变化，而不是作为电源滤波用。(5)增大IGBT的栅极串联电阻RG，可抑制IGBT集电极产生大的电压尖脉冲。本文中我们根据所选用的IGBT的规格，选用50的电阻。3.6系统保护电路设计逆变电源的开关管是比较脆弱的电子元件，而且价格比较昂贵；另一方面，逆变电源的负载大都是比较贵重的设备，对电能质量要求较高，易受损坏，因此，我们必须对逆变电源加装必要的保护功能，保护电源本身和负载不被损害。在本电源系统中，我们设计了输入过压欠压保护电路、输出过流保护电路和温度保护电路，下面我们分别对它们加以介绍：1、输入过压欠压保护电路输入过压保护是指当系统输入电压太高(高于418V)，从而对电源系统内的电子元件造成损害，该保护电路可在输入电压超过最高电压阈值时关闭电源系统。输入欠压保护是指当系统输入电压太低(低于342V)，即使系统控制电路输出最大脉宽的触发脉冲，电源仍无法输出额定的电压或电流的情况下保护的，该保护电路可防止出现因输入电压太低而引起电源输出电压失控的情况。在本系统设计中，我们采用如图3-20所示的过压欠压保护电路，输入三相电压经过整流滤波后得到直流电压，该电压通过电阻分压，若高于高压阈值，则比较器LM324的1脚输出高电平，若低于低压阈值，则比较器的7脚输出高电平，单片机的相应引脚检测到低电平，从而启动单片机内定时器T0进行计时，若定时时间到了以后，电源已经没有过电压或欠电压，则系统恢复正常运行，若单片机的相应引脚仍为低电平，则启动输入过压或欠压保护程序，关闭电源系统，发出报警。图3-20 过压欠压保护电路2、输出过流保护电路输出过流保护是指电源输出电流超过所设定的允许值时，使电源不受损坏的技术措施（通过IGBT的电流超过其额定值时，也必须对IGBT进行保护，保护功能由EXB841完成，保护动作时间小于10uS），它分为限流式保护和截止式保护两类，前者可恢复，一旦过流消失，能自动恢复工作，后者不可恢复，必须重新启动，才能工作。本文中所设计电路采用截止式保护电路，图3-21所示即为本系统的输出过流保护电路。系统中，我们在电源输出线路上安装一个电流互感器，我们可在互感器次级得到一个与被检测初级电流成比例的电压，将该次级电压整流滤波后，得到一直流电压，该电压同输出电流成正比。将该电压同输出电流的门限电压相比较，当超过门限电压时，比较器输出高电平，则单片机的相应引脚为低电平，从而启动单片机内定时器T0进行计时，若定时时间到了以后，电源输出已经没有过电流，则系统恢复正常运行，若单片机的相应引脚仍为低电平，则启动输出过流保护程序，关闭电源系统，发出报警。图3-21输出过流保护电路3、温度保护电路随着温度的升高，电子元件的性能都会下降甚至损坏，因此我们必须在系统内加装散热风扇，另外还应当对电源关键部位的温度进行监测，防止因温度过高而引起元器件的损坏。图3-22为本系统内的温度保护电路。插头处为一负温度系数的热敏电阻，其电阻随着温度的升高而逐渐下降。当温度升高时(超过100度)，A处的电压逐渐下降，当A处的电压低于B处的阈值电压时，比较器LM324输出高电平，则单片机的相应引脚得到低电平，从而单片机启动温度保护程序，关闭电源，对电源进行保护。图3-22温度保护电路3.7辅助电源电路的设计本系统中需用到一个5V的电源（主要由7805组成）和四个各自隔离的20V电源（主要由LM317组成），如图323所示：图3-23 辅助电源电路第4章系统软件的设计4.1 PI控制原理4.1.1过程控制的基本概念采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制，称为过程控制。x给定值+偏差-控制规律执行器过程传感器变送器操作变量被控变量图4-1 基本模拟反馈控制回路在模拟控制过程中，基本控制回路是简单的反馈回路，如图4-1所示。被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较，得到偏差，模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执行器控制于过程。在模拟控制系统中，以微型计算机来代替调节器，就构成了微机过程控制系统。微机过程控制系统基本框图如图4-2所示。控制系统中引入计算机，可以充分利用计算机在对采集数据加以分析并根据所得结果作出逻辑判断等方面的能力，编制出符合某种技术要求的控制程序、管理程序，实现对被控参数的控制和管理。在计算机控制系统中，控制规律的实现，是通过软件来完成的。改变控制规律，只要改变相应的程序即可，这是模拟控制系统所无法比拟